Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Энергосбережение в оптических электротехнологиях АПК. Прикладная теория и частные методики

Голосов: 2

В монографии изложены теоретические основы энергосбережения в оптических электротехнологиях АПК на основе метода конечных отношений (МКО). Метод позволяет проводить анализ и синтез энергосберегающих технологических процессов и энергосберегающих технологических схем применительно к широкому кругу энерготехнологических процессов (ЭТП) АПК. Представлена общая методология энергетического анализа этапов ЭТП. Показано, что определяющей характеристикой этапов ЭТП вне зависимости от происходящих в них процессов является величина энергоемкости. Предложены частные методики энергетического анализа этапов технологического процесса облучения (ТПО) как важнейшего вида ЭТП. Книга предназначена для научных работников, преподавателей и студентов высших учебных заведений, руководителей и специалистов энергетических объектов АПК.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
          - зависимость параметров ИС от эксплуатационных воздействий (на-
работки, климатических условий, режимов эксплуатации и т.д.).
      Для оценки и сравнения эффективности воздействия разноспектраль-
ного излучения в этих условиях необходим единый критерий, позволяющий
учесть как биологические особенности растений, так и реальные спектраль-
ные характеристики применяемых ИС [121].
         В настоящее время при измерении ОИ в растениеводческой прак-
тике в основном принято два подхода: по световым и фотосинтетическим
величинам. Очевидно, что первый просто удобен при измерениях, посколь-
ку базируется на кривой чувствительности глаза человека. В основе второго
подхода лежит средняя кривая чувствительности растения .
      Исследованиями установлено, что различные виды растений требуют
различного спектрального состава излучения, причем оптимум выражен
достаточно четко.
      В настоящее время в соответствии с действующими в отрасли методи-
ками спектральный состав излучения характеризуется соотношением интен-
сивности излучения трех спектральных диапазонов k i , % : синего k син
(400..500 нм), зеленого k зел (500..600 нм) и красного k кр (600..700 нм). Для
некоторых светокультур найдены спектральные соотношения, обеспечи-
вающие наилучшие результаты. Например: для огурца - k син : k зел : k кр = 17%
:40% :43% , для томата - k син : k зел : k кр = 15% :17% :68% (средние из приведен-
ных в [122]).
      Введем показатель, характеризующий близость спектрального состава
излучения к требуемому (коэффициент отклонения спектра K S )
                                      1 n
                               KS =     ∑ϖ i (k i − k iн ) 2 ,
                                      n i =1
                                                                            (5.33)
где k i и k iн - соответственно действительная и нормируемая доли
                  энергии потока излучения соответствующего источника
                  в i -ом спектральном диапазоне;
     ϖ i - весовой коэффициент i -го диапазона,
        учитывающий его биологическую значимость;
      n - количество контролируемых фотосинтетически активных
       спектральных диапазонов.
        Равенство K S нулю свидетельствует о соответствии спектрального со-
става излучения заданному. С другой стороны, любые отклонения спек-
тральных характеристик от требуемых приводят к увеличению значения
K S , тем большему, чем большие отклонения имеют место.
        В приведенных ниже численных расчетах для упрощения биологиче-
ская значимость отдельных спектральных диапазонов была принята одина-
ковой (ϖ i =1).
        Остановимся несколько подробнее на обосновании математического
смысла формулы (5.33), поскольку в дальнейшем (при разработке техниче-

                                        61


ских и организационно-методических мероприятий системы эксплуатаци-
онного энергосбережения в тепличных облучательных установках) именно
показатель K S принят за основной критерий оценки спектрального состава
излучения ламп.
        Основой выбора и сравнения эффективности спектра ИС является ме-
тод дискриминантного анализа. В результате определения спектральных ха-
рактеристик лампы - величин k син , k зел , k кр - получается образ, как упорядо-
ченный набор чисел, каждое из которых соответствует определенному значе-
нию k i . Область образов можно представить в виде гиперпространства (раз-
мерности n ) c рассеянными внутри него точками, отображающими образы.
        Центрами кластеров, к которым осуществляется оценка близости
спектральных характеристик ламп, являются указанные выше оптимальные
спектральные соотношения. Формула для вычисления коэффициента откло-
нения спектра K S по сути определяет евклидово расстояние между центрами
кластеров и отдельными образами (нормированное на один спектральный
диапазон). О наибольшей близости спектрального состава лампы к требуе-
мому для различных культур свидетельствует наименьшее расстояние (т.е.
минимальное значение K S ) между соответствующим образом и центром
кластера.
        Весовой коэффициент ϖ i введен для учета неодинаковой биологиче-
ской значимости отдельных спектральных диапазонов в продукционном про-
цессе.
        Для моделирования 'поведения' K S при различных воздействиях на
спектр заданного вида разработана программа для ЭВМ.
        Зависимость интенсивности Yi отдельных спектральных диапазонов
i от воздействия X была принята в линейном виде
                                    Yi = k i X + bi ,                       (5.34)
где bi - исходная интенсивность (при X =0);
     k i - параметр чувствительности интенсивности излучения
          данного спектрального диапазона к воздействию.
        Под параметром воздействия понималась степень отклонения различ-
ных эксплуатационных факторов (величины питающего напряжения, нара-
ботки ИС и т.п.) от номинальных значений и их влияние на спектральный со-
став излучения ламп.
        Величины bi и ki заполнялись как с помощью генератора случайных
чисел (получая произвольный спектр), так и реальными значениями, харак-
теризующими спектральные параметры различных типов ГЛ (ДРЛ, ДРИ,
ДНаТ).
        Моделировалась зависимость K S от числа диапазонов n для трех ви-
дов формулы коэффициента отклонения спектра:
                                      1 n
                               KS =     ∑ ( k i − k iн ) 2 ,
                                      n i =1
                                                                          (5.35а)

                                         62


                                          n
                                KS =     ∑ (k
                                         i =1
                                                       i   − k iн ) 2 ,    (5.35б)
                                                 n
                                K S = n ⋅ ∑ ( k i − k iн ) 2 .             (5.35в)
                                                i =1

      Исследования показали, что вид функции K S = f (n) практически не за-
висит от возмущающего воздействия X и определяется лишь начальными
параметрами bi и ki .
      В случае равноэнергетического спектра ( bi = const ) и случайных зна-
чениях ki положение функции более определено (зона разброса более уз-
кая). Для реальных спектров чем больше неравномерность распределения
энергии по всему диапазону, тем шире полоса разброса.
      На рисунке 5.7 показан вид функций K S = f (n) , вычисленных по приве-
денным выше формулам (5.35 а-в). Анализ результатов моделирования по-
зволяет констатировать следующее.




Рис.5.7. Вид функций K S = f (n) , вычисляе- Рис. 5.8. Зависимость коэффициента K S
мых по различным формулам (нумерация от возмущающего воздействия X
формул в тексте)

      Для сопоставимости результатов вычисления коэффициентов откло-
нения спектра, вычисленных при различном количестве спектральных
диапазонов может быть рекомендована формула (в), поскольку в этом слу-
чае K S не зависит от n . Это является существенным при увеличении количе-
ства нормируемых спектральных диапазонов в дальнейшем. Формулы (а) и
(б) не имеют между собой существенных преимуществ. Вычисляемое по ним
значение K S зависит от числа учитываемых спектральных диапазонов. Фор-
мулы могут быть использованы при фиксированном количестве спектраль-
ных диапазонов.
      Формула (б) по физическому смыслу определяет непосредственно
евклидово расстояние в n -мерном пространстве и характеризует близость ре-
ального спектра к нормируемому. Формула (а) представляет собой средне-
квадратичное отклонение реального спектра от нормируемого. Все даль-
                                                63


нейшие численные расчеты были проведены с использованием этой форму-
лы.
      Моделирование так же показало, что вычисляемое значение K S ли-
нейно зависит от возмущающего воздействия X , независимо от вида фор-
мулы, что удобно в расчетах (рис. 5.8).
      Для проверки практической применимости формулы (5.33), пользуясь
известными показателями эффективности светокультур огурца и томата при
действии разноспектрального излучения были вычислены соответствующие
значения K S , соответствующие различному спектральному составу излуче-
ния. Зависимости показателей эффективности Р светокультур от коэффици-
ента отклонения спектра были представлены нами в виде линейных уравне-
ний регрессии вида
                                   Р = A⋅ KS + B ,                 (5.36)
      параметры которых, найденные по методу наименьших квадратов,
представлены в таблице 5.1. В таблице 5.2 приведены расчетные значения
продуктивности ценозов огурца и томата при использовании некоторых ти-
пов ИС. Уровень максимальной продуктивности принимался при полном
соответствии спектрального состава излучения требуемому ( K S =0) и пола-
гался равным 100%.

Таблица 5.1. Значения коэффициентов аппpоксимационной фоpмулы
для светокультуp
                                                  Огурца         Томата
                 Показатель Р
                                               А          В    А        В
Уpожай ценоза, кг/м-2                        -0.39        27 -0.17      19
Пеpиод вегетации, сут.                        0.74        68  0.76      96
Сp.сут.пpодуктивность,кг/м-2*сут              -7.6       391 -2.45     191

Таблица 5.2. Расчетные значения продуктивности культур огурца и томатов при
использовании некоторых типов ИС (%)

Культуpы      ЛH        ДКсТ        ДРВ       ДHаТ        ДРИ       ДРЛФ
Огуpец        91         85          84        82          74        72
Томат         88         78          74        74          68        67

      Сравнение полученных оценок с исходными экспериментальными дан-
ными [123] показывает, что соответствие, на наш взгляд, достаточно удовле-
творительное (в среднем по различным ИС отклонения составляют 7%), что
позволяет использовать введенный показатель как критерий принятия реше-
ния о применимости данного ИС в светокультуре.




                                    64


      5.4.2.2 Моделирование влияния коэффициента отклонения спектра на
энергоемкость этапа поглощения разноспектрального потока излучения
растением
      Передаваемая при облучении растениям лучистая энергия характери-
зуется величиной дозы H 0 , Вт ⋅ ч м 2 , определяемой как произведение созда-
ваемой облученности E 0 , Вт м 2 и времени облучения T , ч
                                       H 0 = E0 ⋅ T .                   (5.37)
      При отсутствии данных о требуемом спектральном составе излучения
для растений под облученностью понимается создаваемая интегральная об-
лученность, как поверхностная плотность энергии всего диапазона длин
волн, генерируемых ИС.
      Для разноспектрального излучения нормируемыми величинами стано-
вятся дозы излучения H i , Вт ⋅ ч м 2 в отдельных спектральных диапазонах:
                                       H i = Ei ⋅ T ,                  (5.38)
где Ei - облученность в i -ом спектральном диапазоне, Вт м . 2


                                       Ei = k i ⋅ E0 .                  (5.39)
      Однако, как правило, применяемые ИС имеют спектральный состав
излучения, отличный от оптимального (это относится и к солнечному спек-
тру). Для иллюстрации этого факта в таблице 5.3 приведен спектральный
состав излучения источников, применяющихся для облучения растений.

Таблица 5.3. Состав излучения некоторых типов ИС
            Тип ИС                  k син , %       k зел , %       k кр , %
ДРЛФ400                               26              56              18
ДРВ750                               25.5             46             28.5
ЛОР1000                               43              14              43
ДРФ1000                               33              50              17
ДHаТ400                                7              56              37
ДРИ400-6                              39              43              18
ДРОТ2000                              42              33              25
ДКсТ                                  35             31.5            33.5
ЛH                                    14              34              52
ЛФ40-2                                30              35              35
ЛФР150                                20              17              63
ДМГФ-1000 Э                           20              40              40
Солнечное пpямое                      27              37              36
Солнеч.pассеянное                     43              33              24
        Анализ данных таблицы показывает, не существует промышленно вы-
пускаемого ИС, спектр излучения которого точно соответствует требованиям
рассматриваемых культур.
        Природа возникаемых при этом потерь связана с необходимостью
обеспечить требуемую дозу облучения в определенном «дефицитном» спек-
тральном диапазоне, завысив ее в других диапазонах на некоторую величину
k з , которую назовем коэффициентом завышения.


                                     65


                                                ⎧k ⎫
                                      k з = MAX ⎨ iн ⎬ .                       (5.40)
                                                ⎩ ki ⎭
     Требуемые дозы в i -ых спектральных диапазонах
                                                           k iн
                                         H iтреб = H 0          .              (5.41)
                                                           100
     Обеспечиваемые дозы в i -ых спектральных диапазонах
                                                             ki
                                      H iоб = k з ⋅ H 0         .             (5.42)
                                                            100
     Интегральная обеспечиваемая доза
                                                    n
                                          H об = ∑ H iоб .                     (5.43)
                                                   i =1

     Избыточные дозы в i -ых спектральных диапазонах
                                H iизб = H iоб − H iтреб .                     (5.44)
     Интегральная избыточная доза
                                                     n
                                          H изб = ∑ H iизб .                   (5.45)
                                                    i =1

     В терминах МКО Qн = H об , Qк = H 0 , ΔQ = H изб .
     Энергоемкость, отн.ед.
                                                    Qн H об
                                           ε БЭ   =    =    .                  (5.46)
                                                    Qк   H0
     Пример 5.1. В светокультуре огурца применяются ИС типа ДНаТ 400.
Величина интегральной облученности E 0 =100 Вт м 2 , продолжительность
облучения T =10 час.
     Требуемая интегральная доза составляет
                          H 0 = E 0 ⋅ T = 100 ⋅ 10 = 1000 Вт ⋅ ч м 2
      Значение коэффициента отклонения спектра составляет                    K s =19,8
отн.ед.
      «Дефицитным» является синий спектральный диапазон.
      Значение коэффициента завышения
                        ⎧k ⎫          17 40 43
              k з = MAX ⎨ iн ⎬ = MAX ⎧ ; ; ⎫ = MAX {2,43;0,71;1,16} = 2,43
                                     ⎨         ⎬
                        ⎩ ki ⎭       ⎩ 7 56 37 ⎭
      При заданной интегральной облученности и продолжительности облу-
чения в таблице _ приведены требуемые¸ обеспечиваемые спектральные до-
зы и избыточные дозы в отдельных спектральных диапазонах
      При создании обеспечиваемых спектральных доз общая доза
                         H об = 170 + 1360 + 899 = 2429 Вт ⋅ ч м 2
     Сумма избыточных доз, относимых к потерям
                            H изб = 960 + 469 = 1429 Вт ⋅ ч м 2
     Энергоемкость
                                         2429
                                ε БЭ =        = 2,4 отн.ед.
                                         1000



                                           66


      Таким образом, при коэффициенте отклонения спектра K s =19,8 отн.ед.
энергоемкость ε БЭ =2,4 отн.ед.
Таблица 5.4. Оценка состава излучения по критерию коэффициента отклонения
спектра K S и энергоемкости ε для светокультур
         Тип ИС                       огурца                     томат
                               KS              ε           KS               ε
ДРЛФ400                        31,0            2,4        64,4              3,8
ДРВ750                         17,8            1,5        50,1              2,4
ЛОР1000                        36,8            2,9        37,7              1,6
ДРФ1000                        32,1            2,5        63,4              4,0
ДHаТ400                        19,8            2,4        50,5              2,1
ДРИ400-6                       33,4            2,4        61,3              3,8
ДРОТ2000                       31,6            1,7        53,2              2,7
ДКсТ                           22,1            1,3        42,4              2,0
ЛH                             11,2            1,2        23,4              1,3
ЛФ40-2                         16,1            1,2        40,5              1,9
ЛФР150                         30,6            2,4         7,1              1,1
ДМГФ-1000 Э                     4,2            1,1        36,6              1,7
Солнечное пpямое               12,6            1,2        39,6              1,9
Солнеч.pассеянное              33,0            1,8        54,6              2,8

      Моделирование влияния величины коэффициента отклонения спектра
(при различных сочетаниях k i ) на значение энергоемкости показало, что при
больших значениях K s наблюдаются большие значения ε БЭ (рис.5.9).




              Рис. 5.9 Зависимость энергоемкости от величины коэффициента
                                    отклонения спектра

      Это дает основание судить об энергоемкости по величине коэффициен-
та отклонения спектра.




                                        67


   Глава 6. ЧАСТНЫЕ МЕТОДИКИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО
                АНАЛИЗА ЭТАПОВ ТПО
 6.1. Энергетический анализ этапа подачи электроэнергии к источнику
                              излучения
      На данном этапе ТПО потери происходят по причине отклонения вели-
чины питающего напряжения от номинального значения, что сказывается на
параметры ИС [124].




      Рис.6.1. Схема для энергетического анализа этапа подачи электроэнергии к источ-
                                   нику излучения

      Зависимость параметров ИС от величины питающего напряжения чаще
всего выражается эмпирической формулой вида
                                    Xф        Uф
                                         =(        ) qX                         (6.1)
                                    Xн        Uн
где X ф - фактическое значение параметра X при напряжении питания U ф ;
    X н - номинальное значение параметра X при напряжении питания U н ;
     q X - значение показателя для данного параметра X.
      Отклонения величин от их номинальных значений удобно характери-
зовать соответствующими коэффициентами отклонения
                                                Xф
                                         kX =         .                         (6.2)
                                                Xн
     При этом напряжение характеризуют относительной величиной
                                                Uф
                                         kU =             .                     (6.3)
                                                Uн
     Тогда
                                          k X = kU X .
                                                 q
                                                                   (6.4)
      В таблице 6.1 представлены значения показателей q X для различных
параметров ЛН. Аналогичные данные могут быть представлены и для других
типов ИС.
      Для целей выявления резервов энергоресурсосбережения интерес пред-
ставляют зависимости срока службы и мощности ИС от напряжения питания.


                                          68


       Количество энергии Qн , кВт.ч, потребляемой за срок службы ламп в
номинальном режиме
                                      Qн = Pн ⋅ Tн ,                (6.5)
где Pн - номинальная мощность ламп, кВт;
    Tн - номинальный срок службы ламп, ч.

Таблица 6.1. Значения показателей q X для различных параметров ЛН
                      Обозначение ко-    Обозначение пока-
  Наименование       эффициента откло-                       Значение q X ,
                                             зателя q X
  параметра                нения                                отн.ед.
                         параметра
  1. Ток                     kI                  qI               0,6
  2. Мощность                kP                  qP               1,6
  3. Температура ни-        kto                  qt o            0,33
  ти накала
  4. Световой поток         kФ                   qФ               3,6
  5. Световой КПД            kη                  qη                2
  6. Срок службы             kT                          qT          -14

     На рисунке 6.2 показана зависимость коэффициентов отклонения па-
раметров ЛН от величины напряжения питания в относительных единицах




      Рис. 6.2. Зависимости коэффициентов отклонения параметров ЛН от величины на-
                     пряжения питания в относительных единицах

      Затраты на электроэнергию С н , руб
                                      С н = с э ⋅ Qн ,                        (6.6)
                                              .
где с э - тариф на электроэнергию, руб/(кВт ч).
        Количество сгенерированного потока H н , лм.ч, за срок службы ламп
                                      H н = Фн ⋅ Tн ,                    (6.7)

                                       69


где Фн - номинальный поток ламп, лм.
      Стоимость единицы потока излучения С1н , руб/(лм.ч)
                                                   Сн
                                     С1н =            .               (6.8)
                                                   Hн
     Пусть условия эксплуатации лампы задаются гистограммой отклоне-
ний напряжения pi , характеризующей вероятность попадания величины на-
пряжения в соответствующий интервал напряжений kU .              i


     Коэффициент отклонения мощности k P , отн.ед.
                                               n
                                   k P = ∑ pi kU ip ,
                                                         q
                                                                      (6.9)
                                            i =1

где n – количество интервалов разбиения гистограммы.
      Тогда фактическая мощность Pф , кВт
                                    Pф = Pн ⋅ k P .                  (6.10)
      Коэффициент отклонения срока службы kT , отн.ед.
                                           n
                                   kT = ∑ pi kUTi .
                                              q
                                                                     (6.11)
                                          i =1

     Фактический срок службы
                                     Tф = Tн ⋅ kT .                  (6.12)
     Коэффициент отклонения потребляемой энергии
                                           n
                                   kQ = ∑ pi kU ip kUTi .
                                                     q
                                                    q
                                                                     (6.13)
                                          i =1

     Фактически потребляемая облучательной установкой энергия Qф , кВт.ч
                                  Qф = Qн ⋅ kQ .                  (6.14)
     Затраты на фактически потребляемую электроэнергию Сф , руб
                                  Сф = сэ ⋅ Qф .                  (6.15)
     Коэффициент отклонения сгенерированного потока за срок службы
лампы
                                           n
                                  k H = ∑ pi kUФ kUTi .
                                              q
                                                i
                                                  q
                                                                     (6.16)
                                          i =1

     Количество сгенерированного потока за срок службы лампы H ф , лм.ч
                                  Hф = H н ⋅ kH .                    (6.17)
                                                                 .
     Фактическая стоимость единицы потока излучения С1ф , руб/(лм ч)
                                                   Сф
                                      С1ф =                  .       (6.18)
                                                   Hф
     Коэффициент изменения стоимости единицы потока излучения
                                                   С1ф
                                       kС =                  .       (6.19)
                                                   С1н
      Необходимое количество ИС N ф может быть определено исходя из то-
го, что количество ламп обратно пропорционально их сроку службы, т.е.


                                     70



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика